摘要：软土地基加固技术在我国工程建设领域积累了较丰富的经验，许多成熟可靠的新理论、新材料、新设备、新工艺在软土地基处理中得到推广和应用。针对内陆湖区深厚的特殊软土地质情况，文章以洞庭湖区安慈高速公路软土地基处治为研究背景，以水泥搅拌桩和预应力管桩试验桩施工为载体，简述了水泥搅拌桩和预应力管桩在处理深厚软土地基施工过程中，不同施工设备对处治效果的对比分析，以及不同检测时段对处治结果判定的影响程度，综合分析了水泥搅拌桩和预应力管桩两种不同处理方式的适用范围和效果，为以后类似地质条件下的软基处理施工提供了借鉴和参考。
关键词：深厚软土 处治 水泥搅拌桩 预应力管桩
1 引言
软土是指近代水下沉积的饱和粘性土1，是淤泥、淤泥质粘土、泥质粉土、泥炭、泥炭质土等一类土体的简称。洞庭湖区属内陆湖区平原地带，在构造上为“洞庭凹陷”[1]，由湘、字水、沅、澧四大水系汇集至洞庭湖，受长年累月的自然搬迁作用，在洞庭湖区广泛沉积了深厚的湖泊相及河湖相软土，主要由淤泥、淤泥质黏土、软塑状粉质黏土组成，具有孔隙比大，高压缩性，其分布范围广，厚度较大的特点，呈不均匀分布，一般为5.00-25.0m，最厚的达28.2m。具有天然含水量大、土的力学强度低等特点。工程性质较差，尤其在地震作用及振动荷载的作用下，极易产生侧向滑移、不均匀沉降及蠕变等工程地质病害，对路基及构造物的稳定性影响较大，如果软土地基处治不好，将会使其上部建筑物在施工或运营阶段出现一系列的损害，主要有：开裂、滑移、沉降、结构物错台等。
目前，针对内陆湖区的软土地基[2]处理方法主要采用的有排水固结法和复合地基处理配合土工合成材料的方法。因排水固结法需要配合堆载预压进行，施工时间相对长，对于工期紧张的项目一般不太适用。本文依托湖南省安乡至慈利高速公路安乡段软土地基的处治情况对复合地基处理加固进行综合分析和总结，探索出对洞庭湖区高速公路深厚软土地基处理的有效、快捷、可靠的方法，并可作为在该区域工程建设软基处治的借鉴和参考。
2 工程概况
安慈高速公路安乡段22公里均为软土地带，大地构造位处洞庭洞盆地之“次级安乡凹陷”，以第四纪以来以持续强沉降为主，地表均为全新世以来河湖相湖、冲积所覆盖为特征。路线所经地带为湖南省洞庭湖平原地貌，路线大致呈东西走向，路线起点与岳常高速相接，地形起伏较小，相对高差一般为2～5m，地面高程一般为27.9～32.8m。项目区域内河流水系较为发育，属长江水系。流域内降雨充沛，水量丰富，河水位受降水量影响一般。地下水主要为孔隙水、水位较高，原地面0.5m左右可见明显渗水。
本项目地基处理方式大量的采用了水泥搅拌桩、预应力管桩。
3 水泥搅拌桩施工情况分析
3.1水泥搅拌桩加固原理
水泥搅拌桩主要采用以水泥为固化剂，通过机械搅拌，在地基深处通过钻头叶片旋转切割土体，将软土和水泥强制搅拌均匀，利用水泥和软土之间所产生的一系列理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基，达到提高复合地基承载力，减少工后不均匀沉降的目的。水泥搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、饱和粘性土地基。
3.2水泥搅拌桩施工现场试验
水泥搅拌桩选取K4+118～K4+148段，该段地层分布大致为0～0.5m种植土、2～2.5m厚粉质粘土、6～9m淤泥质黏土、13～18m粉质粘土。试验桩径φ500mm，桩中心间距1.3m，矩形布置，试验桩数量50根。施工设备选取PH-5D巨业牌新型大扭矩搅拌桩机配备水泥电脑喷灌自动记录仪。
（1）第一次试验——单向搅拌，只采用单层叶片钻头进行切土搅拌，切割旋转方式为单向。
试验过程：采用普通单轴钻头进行搅拌施工，采用四搅四喷工艺[3]，喷浆压力0.3MPa，42.5级水泥掺量55kg/m，水灰比0.55，下钻速度0.9m/min，提钻速度0.7m/min，桩头2m进行复搅一次。
试验结果：搅拌桩成桩较明显，桩周成桩痕迹明显，桩中间部分水泥与土体搅拌不均匀，水泥呈明显带状，水泥与土未有效融合。抽芯28天无侧限抗压强度0.9MPa，单桩承载力75kN，复合地基承载力检测为125kPa。
结果分析：单向水泥搅拌桩在该地质情况条件下可以成桩，但是水泥土均匀性不好，地基承载力和无侧限抗压强度均不能满足设计要求的130kPa和1.2MPa的要求，说明不解决水泥土的成桩均匀性问题，就不能充分发挥水泥土的物理力学性能，处理后的地基承载力不能满足设计和规范的要求。
（2）第二次试验——单向搅拌增加竖向叶片。
试验过程：采用普通单轴钻头进行搅拌施工，采用四搅四喷工艺，喷浆压力0.3MPa，42.5级水泥掺量55kg/m，水灰比0.55，下钻速度0.9m/min，提钻速度0.7m/min，桩头2m进行复搅一次。
试验结果：搅拌桩成桩较明显，桩周成桩痕迹明显，桩中间部分水泥与土体搅拌均匀性不好，水泥有带状分布于桩身。抽芯28天无侧限抗压强度1.1MPa，单桩承载力80kN，复合地基承载力检测为128kPa。
结果分析：改造后的单向钻头成桩的均匀性方面有一定的改善，但是效果不是很明显，从检测的各项指标翻来看，效果甚微，地基承载力和无侧限抗压强度均不能满足设计要求的13kPa和1.2MPa的要求，说明改进单向钻头当时仍不能很好的解决水泥土的成桩均匀性问题。
（3）第三次试验——双向螺旋搅拌桩[4]。
试验过程：采用新型双向钻头，正、反向呈螺旋状进行旋转土体切割，采用四搅四喷工艺，喷浆压力0.3MPa，42.5级水泥掺量55kg/m，水灰比0.55，下钻速度0.9m/min，提钻速度0.7m/min，桩头2m进行复搅一次。
试验结果：桩身侧面有明显的搅拌螺旋痕迹，桩身成桩轨迹清晰，成桩较明显，桩中间部分水泥与土体搅拌相对均匀，色泽明显。抽芯28天无侧限抗压强度1.5MPa，单桩承载力10kN，复合地基承载力检测为187kPa。
结果分析：双向钻头能对水土进行二次切割搅拌，对水泥土的搅拌均匀性能得到大幅的提高，各项检测指标均能满足设计要求，且能有一定富余量。说明采用新型双向钻头的成桩效果明显优于单向钻头，能很大程度上解决水泥土的成桩均匀性问题。
4 预应力管桩施工情况分析
4.1预应力管桩加固地基原理
该方法是将预应力混凝土管桩按一定的间距打入软土层中，通过刚性桩体及桩顶浇筑的桩帽形成复合地基，将上部荷载均匀的传递至桩周土及下部强度相对高的下卧层土体，从而达到提高复合地基承载力，有效控制工后沉降[5]的目的。
4.2预应力管桩施工现场试验
预应力管桩试验桩施工选取K4+275~K4+305段软基处理为路桥过渡加密段，采用PHC-A300-70预应力管桩，桩长16m、20m的两种桩长，桩中心间距2.0m。现场施工分别采用筒式柴油锤和静力压桩机分别进行试桩施工。
（1）第一次试验——HD30筒式柴油锤，桩长16m。
试验过程：管桩施工前，现场铺设0.3m厚砂砾垫层进行原地面整平，管桩组合为5.0m+11.0m，先施工长桩再施工短桩，两节桩间采用焊接法施工。因锤击设备并不能直观的反映出管桩的受力荷载，通常只能用最后1m锤击数作为反估管桩承载力，从而作为锤击施工的收锤标准。在锤击管桩施工的过程中发现，柴油锤在击打的过程中，并没有完全做功，大部分是通过柴油锤的自重（6t）将管桩压入土中，而且最后1m管桩入土的柴油锤锤击并不明显，很难判定最后1m管桩的锤击数，最后初定按照锤击与管桩接触的一次声响作为1击记录，最后1m的锤击次数为6击。
试验结果：管桩施工速度较快，工艺较简单，主要控制垂直度和接头焊接质量。从锤击施工过程没有完全做功情况可以反映出，管桩端部并没有达到强度较高的下卧层，根据7天单桩承载力检测，单桩承载力225kN，复合地基承载力185kPa。28天单桩承载力检测，单桩承载力260kN，复合地基承载力195kPa。
结果分析：柴油锤击设备施工质量易于控制，施工速度较快，从检测数据可以反映出单桩承载力指标较低，但是复合地基承载力较高。经过一定的休止期后，承载力能得到一定的提高。复合地基承载力[6]特征值计算：
——复合地基承载力特征值，kPa
m ——面积置换率
——单桩竖向承载力特征值，kN
——桩截面积，㎡
——桩间土承载力特征值，kPa
——桩间土承载力折减系数，桩间为硬土时取0.1-0.4，为软土时可取0.5-1.0，不考虑桩间软土作用取0。
根据公式计算，桩间土折减系数取0.75，置换率为1.77%，计算出处理后桩间土承载力特征值为174.6KPa。根据反算结果，可以得出处理后的表面硬壳层桩间土承载力较高。
（2）第二次试验——HD30筒式柴油锤，桩长20m。
试验过程：管桩施工前，现场铺设0.3m厚砂砾垫层进行原地面整平，管桩组合为10.0m+10.0m，两节桩间采用焊接法施工。最后1m管桩入土的柴油锤锤击情况同第一次试验，按照锤击与管桩接触的一次声响作为1击记录，最后1m的锤击次数为10击。
试验结果：根据7天单桩承载力检测，单桩承载力260kN，复合地基承载力200kPa。28天单桩承载力检测，单桩承载力320kN，复合地基承载力225kPa。56天单桩承载力检测，单桩承载力320kN，复合地基承载力220kPa
结果分析：随着桩长的加长，承载力可以得到一定的提升，根据不同时间段的检测情况来看，经过一个月左右时间的休止期后，承载力可以基本趋于稳定。
（3）第三次试验——TPZB200静力压桩机，桩长20m。
试验过程：静力压桩机通过自身抱抓装置利用设备自身重力或配重将管桩压入土体，管桩组合为5.0m+11.0m，两节桩间采用焊接法施工。静压机显示单缸油压值10MPa，对应压力40.2t。
试验结果：根据7天单桩承载力检测，单桩承载力325kN，复合地基承载力210kPa。28天单桩承载力检测，单桩承载力320kN，复合地基承载力215kPa。56天单桩承载力检测，单桩承载力325kN，复合地基承载力210kPa。
结果分析：通过静力压桩机施工可以在施工过程中直观反映出施工桩基承载力，同时通过对不同时段的检测数据分析，静压法施工可以很大程度减小对桩周土的扰动，休止期的承载力变化几乎为零，但是因设备自重较大，对施工地面的承载能力要求较高。
5 综合分析及结论
1.通过试验桩施工及相关检测结果的综合分析，管桩的单桩承载力均较低，但是复合地基承载力均较高，分析原因是管桩表面光滑且桩总侧面积较小，桩土间的总侧摩阻力较小，而桩端未进入持力土层导致桩端的承载力也较小。但是其复合地基承载力能满足一般结构物施工要求，说明地表硬壳层和桩间土对复合地基承载力提供的支撑力较大的，两者共同作用下形成复合地基承载。
2.水泥搅拌桩处治后的复合地基承载力可以满足高速公路一般路基施工的要求，但是不能满足结构物基底承载力要求。在搅拌桩施工过程中，解决水泥搅拌桩的均匀性问题对于设备选型非常重要，应优先选取双向螺旋钻头。
3.预应力管桩处治后的复合地基承载力对不同设备施工的桩型应采取不同的时间段检测：采用锤击设备施工的应在一个月左右的休止期后再行检测，采用静力压桩施工的桩对桩周土影响较小，
可以考虑7天后进行检测。对于地表承载力较好，工期压力紧张的施工项目，可以考虑采用静压法施工。无论采用哪种设备施工，预应力管桩的最终承载力差异均较小。
4.对于洞庭湖区特殊的软土特性，采用水泥搅拌桩可以解决一般路基的地基承载力要求，对于结构物基底承载力要求较高的位置，建议采用预应力管桩。
参考文献：
[1] 徐国文，刘多文.洞庭湖区高速公路软土特性及处理方法[B].中南公路工程，第28卷第2期，2003（6）：65-67.
[2] 中华人民共和国行业推荐性标准 公路软土地基路堤设计与施工技术细则：JTG/T D31-02—2013.北京：人民交通出版社，2013.4：1-15
[3] 郑楚元.搅拌桩施工工艺流程及要点.广东建材，2012年第8期：96-98.
[4] 张启顺.双向水泥搅拌桩在软土路基地基处理中的应用[B].铁道建筑，2011年第11期：119-121.
[5] 张再武.高速公路软土路堤沉降速率控制标准研究.交通科技.2011年第3期：83-85.
[6] 郑健龙，张军辉.高速公路软土地基路堤设计与施工控制，人民交通出版社，2013年3月.
作者简介：沈贤华（1986年—），男，湖南省浏阳市，工程师，主要从事公路、铁路、市政工程项目施工管理；E-mail：240848575@qq.com。
论文作者:沈贤华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/14
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